В книге изложены расчетные модели, описывающие особенности деформирования и разрушения стали и сплавов при переменных нагрузках и повышенных температурах. Деформирование конструкционных материалов рассмотрено на основе теории пластического течения и ползучести с анизотропным упрочнением, а также теории упругого нелинейно-вязкого тела с независимыми (параллельными) механизмами деформирования. Проанализирована специфика разрушения металла при однократном и циклическом нагружениях, а также в условиях ползучести. Модифицированы критерии сопротивления малоцикловой усталости и длительной циклической прочности. Проведено подробное экспериментальное обоснование предлагаемых расчетных моделей. Дано обобщение моделей на случай сложного напряженного состояния и изложена методика их применения в расчетах конструкций. Книга предназначена для специалистов по проектированию и техническому диагностированию энергетического и нефтехимического оборудования. а также для исследователей, занимающихся вопросами высокотемпературного деформирования и разрушения материалов. Она может быть использована при разработке компьютерных программ для расчета на прочность современных конструкций.

Межкафедральный сборник статей содержит результаты научно-исследовательских работ, выполненных сотрудниками четырех факультетов ЛПИ при участии работников промышленности за несколько лет и посвященных различным аспектам решения комплексной проблемы создания прогрессивных конструкций различного назначения и разработки наиболее эффективных технологических процессов их производства с использованием высококачественных сварочных материалов и нового оборудования. Предлагаемые в сборнике статьи предназначены для инженерно-технических работников проектных и производственных организаций, а также для научных работников сварочного производства. Эти материалы могут быть полезны студентам старших курсов сварочной специальности. Рекомендован к изданию головным советом "Металлургия".

Приведены результаты экспериментальных исследований формирования и эволюции градиентных структурно-фазовых состояний и дефектной субструктуры сталей и сплавов, подвергнутых ударному нагружению, прокатке, сварке. высокотемпературной цементации, мало- и многоцикловой усталости с обработкой токовыми импульсами. электронно-лучевой обработке, закалке из расплава. Методами оптической, растровой и просвечивающей электронной микроскопии выполнен анализ зеренной и тонкой дефектной структуры и дислокационных субструктур при таких видах воздействия, получены количественные зависимости параметров градиентных структурно-фазовых состояний от расстояния до поверхности обработки. Обсуждены возможные механизмы и природа формирования таких состояний. Книга предназначена для научных и инженерно-технических работников научно-исследовательских институтов, заводских лабораторий, специализирующихся в областях физики конденсированного состояния, металловедения и термической обработки металлов и сплавов и может быть полезна преподавателям, аспирантам и студентам вузов соответствующих специальностей.

Показано, что многоуровневый процесс пластического формоизменения в шейке деформируемого твердого тела может быть корректно описан на основе полевой теории дефектов. Теория предсказывает два механизма волнового пластического течения в шейке. Наиболее распространенным является диссипативный многоуровневый автоволновой процесс, в основе которого лежит самоорганизация в шейке двух макрополос локализованной деформации, сопряженных по схеме "креста". Этот процесс сопровождается фрагментацией материала на мезоуровне, высоким его деформационным упрочнением, деградацией структуры и характеризуется низкой пластичностью. В специальных условиях самоорганизации в шейке двух макрополос, сопряженных по схеме двухгранного угла, пластическое течение может развиваться как слабодиссипативный волновой процесс. Он характеризуется очень высокой пластичностью материала в шейке. Полевая теория дефектов хорошо объясняет известные экспериментальные данные о механизмах пластической деформации в шейке деформируемого твердого тела.

Исследовано влияние термического отжига на структуру, характер локализации пластического течения и механические свойства образцов ВТ1-0, подвергнутых предварительной ультразвуковой обработке или равноканальному угловому прессованию. Показано, что разрушение в процессе отжига субмикрокристаллической структуры обусловливает размытие полос локализованной деформации различных масштабов. Отжиг при 450 oС в течение 1 ч позволяет добиться увеличения пластичности субмикрокристаллического титана при одновременном сохранении высоких прочностных свойств материала.

Исследованы особенности уплотнения с помощью экструзии порошков сплава Al-40Sn. Прессование проводили в температурном интервале 25-230 гр.С с коэффициентом обжатия 4,5. Исследование структуры по длине образца, включая пресс-остаток, показало, что основное ее изменение происходит на стадиях формования заготовки и нахождения последней в рабочем канале пресс-формы для экструзии. Под влиянием действующих в это время давлений образуется новый композиционный материал, состоящий из алюминиевых частиц, диспергированных в непрерывную мягкую оловянную матрицу. При продавливании такого материала через фильеру прослойки олова выполняют функции межчастичной смазки, облегчающей взаимное смещение частиц алюминия, которые в результате мало деформируются. Как следствие, оксидные пленки на частицах алюминия сохраняются и препятствуют установлению прочных межфазных границ. Экструдированный материал содержит трещины по границам фаз и демонстрирует низкую пластичность.

В работе исследованы особенности локализации разрушения композита «стальная основа - боридное покрытие» при растяжении. Краевая динамическая задача в постановке плоской деформации решается численно методом конечных разностей. Криволинейная граница раздела «подложка - покрытие» соответствует экспериментально наблюдаемой и задается в расчетах явно. Определяющие соотношения учитывают упругопластическую реакцию стальной подложки с изотропным упрочнением и хрупкое разрушение покрытия. Выявлена стадийность процесса пластического течения. Показано, что локализация напряженного состояния на третьей стадии развивается в нелинейном режиме. Установлено, что место разрушения зависит от прочности покрытия.

Исследовано влияние расплава Pb-Sn в контактном пространстве на токопроводящую площадь и электропроводность контакта. Проведена полуэмпирическая оценка электропроводности токопроводящего контакта, содержащего расплав Pb-Sn в контактном пространстве.

Изучено влияние интенсивной пластической деформации и изотермических отжигов на формирование дислокационной субструктуры в сплаве на основе никелида титана с термоупругим мартенситным превращением. Показано, что особенностью исследованного сплава является высокая скалярная плотность дислокаций, которая сохраняется вплоть до температур 1073 K. Уменьшение плотности дислокаций происходит только в результате термообработок при температуре 1373 K. Установлено, что изменение микроструктуры приводит к изменению скорости накопления остаточной деформации при квазистатическом и циклическом нагружении. На основании экспериментальных данных сделаны предположения о возможности развития дислокационного и мартенситного механизмов деформации.

Исследовано влияние интенсивной пластической деформации на микроструктуру и свойства металлических материалов на примере алюминиевого сплава А85, подвергнутого равноканальному угловому прессованию и циркониевого сплава Г110, подвергнутого ковке с переменой осей осаживания. Установлено, что при деформациях в сплавах формируется промежуточная мелкозернистая структура с бимодальным распределением зерен по размерам. При растяжении образцов из материалов с такой структурой происходит быстрая локализация деформации и образование шейки, способной к значительному утонению.

Методом Оже-спектроскопии определен элементный состав поверхности трения металлических композитов, содержащих 10% (об.) графита. Установлено, что после трения без смазки содержание углерода и кислорода в поверхностном слое достигает 40-80% (ат.) и 5-40% (ат.) соответственно. показано, что простой элементный состав структурных составляющих композитов приводит к более высокой износостойкости.

Работа посвящена исследованию влияния ультразвукового поверхностного пластического деформирования сварных соединений стали ВКС-12 на их структурно-фазовое состояние и механические характеристики. Показано, что материал приповерхностного слоя толщиной около 40 мкм после обработки приобретает трехслойное строение с образованием наноструктуры на глубине до 3...4 мкм. На большей глубине регистрируются субзеренная структура с большеугловой разориентацией субзерен и фрагментированная структура. Установлена связь наноструктурирования поверхностного слоя с повышением циклической долговечности сварных соединений.

Методами электронной просвечивающей микроскопии исследованы механизмы пластической деформации кристаллов TiNi(Fe, Mo) при сжатии в интервале мартенситного превращения, наведенного напряжением. Установлено, что важным механизмом деформации в этом интервале, наряду с механическим (1000 двойникованием мартенсита В19. является формирование двойников В2-фазы путем обратного мартенситного превращения по другой системе.

Исследована эволюция структуры композиционных материалов карбид WC - сталь 80Г4 на разных масштабных уровнях при деформации сжатием.

Методом активной деформации растяжением при 20-1300С проведено исследование влияния режимов химико-термической обработки (ХТО) на температурную зависимость характеристик кратковременной прочности и пластичности внутреннеокисленных сплавов V-0,45Zr-0,2C и V-5Mo-0,9Zr-0,3C (ат.%). Изучено влияние границ зерен на особенности пластической деформации и разрушение этих сплавов при разных температурах. Показано, что высокая эффективность дисперсного упрочнения внутреннеокисленных сплавов сверхмелкими частицами оксидов ZrO2, формирование в процессе внутреннего окисления структурных состояний с совместным дисперсным и субструктурным упрочнением и высокая термическая стабильность этих состояний способны обеспечить (1,5-2)-кратное повышение кратковременной (в том числе высокотемпературной) прочности ванадиевых сплавов при сохранении высокого запаса пластичности.

Методами оптической металлографии, растровой электронной микроскопии, микрорентгеноспектрального анализа и рентгеновской дифрактометрии исследована микроструктура и фазовый состав интерметаллического соединения Ni3Al, полученного высокотемпературным синтезом под давлением. Показано, что структура интерметаллида состоит из дендритных зерен и междендритных прослоек. Пластическая деформация продукта синтеза в процессе формирования интерметаллида приводит к росту анизотропных дендритных зерне и появлению областей с модулированной структурой в междендритных прослойках. Наблюдаемые структурные изменения сопровождаются повышением предела текучести и уменьшением пластичности интерметаллида.

Приведены результаты исследований физико-математических и триботехнических свойств композиционных микро- и макрогетерогенных материалов матрично-наполненного типа, содержащих в качестве твердой фазы карбид титана. Показано, что создание многоуровневой демпфирующей структуры позволяет регулировать процесс изнашивания материала, заданием наиболее выгодного для данных условий трения структурного уровня деформирования поверхностного слоя.

Методами оптической металлографии, РЭМ с микрорентгеноспектральным анализом исследована микроструктура интерметаллического соединения Ni3Al, полученного методом высокотемпературного синтеза под давлением в условиях пластической деформации продукта синтеза. Показано, что высокотемпературный отжиг приводит к формированию равновесной микроструктуры интерметаллического соединения.

Методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) порошковой смеси состава (Ni+24ат.%Al+0.5ат.%В) при совмещении с пластической деформацией продукта синтеза получен пластичный и прочный сплав. Методами рентгеновской дифрактомерии, оптической металлографии, растровой электронной микроскопии исследована микроструктура сплава. Показано, что увеличение пластичности сплава обусловлено образованием полифазной и разнообразной по типу микроструктуры - крупнокристаллической эвтектики (y+y) вперемежку с нанокристаллической структурой смеси фаз: y, NiAl, Al3Ni, Ni2Al3.

Методами рентгеноструктурного анализа исследовано изменение микроструктурных параметров твердых сплавов на основе карбида вольфрама в исходном и деформированном состояниях в зависимости от химического состава матрицы. Определены параметры решетки, размеры областей когерентного рассеяния, микроискажения кристаллической решетки, плотность дислокаций структурных составляющих твердых сплавов до и после деформации. Установлено, что механические свойства всего композита определяются величинами изменения определенных параметров внутренней структуры компонентов: пластичность сплава - величиной изменения размера областей когерентного рассеяния в матрице, а его прочность - величиной изменения микроискажений кристаллической решетки упрочнителя.

Методами просвечивающей электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа исследована микроструктура шейки образцов ферритно-мартенситной стали ЭК-181 (Fe-12Cr-2W-V-Ta-B) после одноосного растяжения при комнатной температуре. Образцы подвергались стандартной термообработке (закалка + старение), а также промежуточной ультразвуковой обработке между закалкой и старением. Показано, что в шейке образца после стандартной термообработки в рейках мартенсита образуются субмикрокристаллические зерна а-фазы и изотропные дислокационные фрагменты. В образцах после ультразвуковой обработки в зоне локализованной деформации отсутствуют границы мартенситных кристаллов и также наблюдаются субмикрокристаллические зерна. Изучено влияние ультразвуковой обработки на характер разрушения образцов стали при одноосном растяжении.

Методом дифракции обратно рассеянных электронов проведен анализ эволюции микротекстуры и факторов Шмидта при растяжении в условиях формирования шейки. Установлена взаимосвязь колебательной неустойчивости пластического течения в очаге деформации в режиме "упрочнение- разупрочнение" с геометрическим упрочнением (разупрочнением) в процессе переориентации плоскостей легкого скольжения в зернах относительно оси нагружения. Выявлена связь активности различных систем скольжения с закономерностями эволюции количественных параметров микроструктуры.

Проведено исследование фазового состава, микроструктуры, механизмов пластической деформации и разрушения при ударном нагружении слоистого материала, полученного сваркой под давлением листов титанового сплава ВТ6. В ходе ударного нагружения при 20 и -196 °С происходит расслоение образца на пакеты листов, которое влияет на скорость их разрушения. На поверхностях разрушения происходит структурно-фазовый распад исходной кристаллической структуры с образованием динамических ротаций. В кристаллических подслоях поверхностей разрушения и расслоя развивается фрагментация материала. Данные эффекты выражены более сильно при T(def)= -196 °С.

The paper studies the phase composition, microstructure, and mechanisms of plastic deformation and fracture under impact load in a laminate obtained by pressure welding of VT6 titanium alloy sheets. Under impact loading at 20 and -196°C, the material is delaminated into sheet piles with attendant changes in their fracture rate. At fracture surfaces, the initial crystal structure experiences structural phase decomposition which results in dynamic rotations. In fracture and delamination sublayers, the material is fragmented. The effects are more pronounced at Tdef =-196°C.

Методом оптической металлографии in-situ исследованы закономерности развития мартенситного превращения на мезо- и макромасштабном уровнях в крупнозернистом и субмикрокристаллическом никелиде титана в ходе изотермического нагружения при 295 K. Установлены особенности развития мартенситного превращения в субмикрокристаллическом состоянии по сравнению с крупнозернистым состоянием.??.

Обсуждаются общие нелинейные свойства неупругой деформации и разрушения нагружаемых твердых тел и сред, а также подобные свойства численных решений нелинейной системы уравнений в частных призводных, моделирующих деформационные процессы. Автомодельность накопления неупругих деформаций/повреждений во всей иерархии масштабов от межатомных растояний и вплоть до формирования тектонических разломов в земной коре во многие тысячи километров обуславливает качественное подобие сценариев разрушения независимо от масштабов деформационного процесса и реологических свойств среды. Такими общими свойствами деформируемых систем являются пространственная локализация накопления повреждений/неупругих деформаций во всей иерархии масштабов, дальнейшая локализация деформационного процесса во времени как сверхбыстрого автокаталитического процесса (режима с обострением), наличие медленной динамики (формирование деформационных фронтов - медленных движений), а также миграция деформационной активности вследствие длинных пространственно-временных корреляций, охватывающих всю иерархию масштабов. Таким образом, разрушение развивается как последовательность катастроф нарастающих масштабов вплоть до макроскопического. Показано, что самоорганизованная критичность любых деформируемых систем не исключает возможности предстказания времени и места будущего катастрофического события. Индикаторами такого крупномасштабного события могут служить следующие процессы:замирание деформационной активности в ближней окрестности формирующейся магистральной трещины или разлома; генерация в ближайшей зоне формирующегося очага разрушения цугов (фронтов повреждений) и их стекание к месту формирующейся магистральной трещины(разлома).

Исследованы процессы распространения фронтов локализованной пластической деформации в материале с боридным покрытием. Решается краевая динамическая задача в постановке плоской деформации. Проводится численное моделирование методом конечных разностей. Структура композита "покрытие - подложка" задается в расчетах явно и соответствует экспериментально наблюдаемой. Определяющие уравнения для стальной основы включают упруго-пластическую модель изотропно упрочняющегося материала с учетом соотношения для описания медленных течений. Используется модель разрушения на основе критерия Губера, которая учитывает зарождение трещин в областях объемного растяжения. Показано, что специфика деформирования и разрушения материала с покрытием связана с наличием вдоль границы раздела "покрытие - подложка" локальных областей растяжения при сжатии композиции. Изучена взаимосвязь процессов неоднородного пластического течения в стальной подложке и распространения трещин в покрытии. установлена зависимость характера растрескивания, места зарождения разрушения и объемной доли разрушенного материала покрытия от скорости распространения полосы Чернова - Людерса в стальной основе.

В работе исследованы особенности деформирования и разрушения материала с многослойным покрытием при высокоскоростном ударном взаимодействии. Краевая динамическая задача в трехмерной постановке решается численно методом конечных элементов. Многослойное покрытие задается в расчетах явно. При моделировании механической реакции стальной подложки, ударника и подслоя покрытия из NiAlиспользуются соотношения Прандтля-Рейса и уравнение состояния в форме Ми-Грюнайзена. Поведение материала покрытия из Wo-Co описывается упруго-хрупкой моделью. Для описания разрушения материалов многослойной преграды используется критерий Хоффмана, который учитывает различную прочность на растяжение и сжатие. Показано, что наличие многослойного покрытия способствует повышению динамической прочности стальной основы. Установлено, что уменьшение проникающей способности ударника, связанное с наличием покрытия, нелинейно зависит от скорости взаимодействия.

В рамках междисциплинарного исследования процессов деформации и разрушения композиций покрытие — подложка при их контактном взаимодействии выполнен теоретический и экспериментальный анализ влияния дисперсного переходного слоя между сопряженными слоями на процесс формирования деформационных структур вблизи границы раздела. С помощью метода возбудимых клеточных автоматов проведено моделирование переноса упругой энергии от индентора с учетом процессов самоорганизации сдвигов и поворотов структуры вблизи интерфейса. С использованием оптико-телевизионного измерительного комплекса TOMSC экспериментально исследовано влияние переходного слоя между покрытием и подложкой на формирование деформационных структур в условиях контактного взаимодействия с индентором при трехточечном изгибе.

Методами дифракции обратнорассеянных электронов проведено исследование изменения микроструктуры приповерхностного слоя никелида титана после импульсных воздействий на поверхность образцов сплава потоками ионов кремния средних энергий. Показано, что после ионно-пучкового облучения поверхности образцов наблюдается изменение и фрагментация структуры приповерхностного слоя на глубину 5-15 мкм, меньшую среднего размера исходного зерна исследуемого сплава. Установлено, что характерными особенностями слоя с фрагментированной структурой являются присутствие в нем мартенситной фазы В19' и высокая концентрация межфазных и внутрифазовых границ раздела, линейные размеры фрагментов превышают 1 мкм, измельчение структуры слоя под облученной поверхностью неоднородно и зависит от кристаллографической ориентации исходного зерна. Высказано предположение, что одной из причин интенсивной фрагментации отдельных зерен исходной фазы В2 после ионно-пучковой обработки является близость ориентации основных систем скольжения направлению воздействия ионными пучками. Возможно, это привело к более раннему, по сравнению с остальными зернами, запуску процесса пластической деформации таких зерен и, как результат, частичной фрагментации их структуры.

Приведен краткий обзор фундаментальных (общих) свойств эволюции нелинейных динамических систем. Выполнено численное моделирование процесса эволюции напряженно-деформированного состояния в горном массиве с выработками, включая катастрофический этап обрушения кровли. Анализ результатов моделирования катастрофических разрушений элементов горного массива выполнен с позиций теории нелинейных динамических систем. Показано, что решения уравнений механики деформируемого твердого тела демонстрируют все характерные черты и особенности эволюции нелинейных динамических систем, включая состояние динамического хаоса, самоорганизованной критичности, катастрофического сверхбыстрого этапа эволюции напряженно-деформированного состояния на заключительной стадии разрушения. Расчетные сейсмические события отвечают закону Гутенберга-Рихтера. В численных расчетах получен эффект cut-off (загиб графика повторяемости вниз в области сильных крупномасштабных разрушений). Перед катастрофическим разрушением наблюдаются изменение графиков функции плотности вероятности флуктуаций напряжений от среднего тренда, уменьшение наклона графика повторяемости расчетных сейсмических событий, формирование областей сейсмического затишья в центральных областях зависшего пролета кровли и переключение активности деформационного процесса на периферию в области сопряжения выработанного пространства с целиком. Эти признаки свидетельствуют об увеличении вероятности катастрофы, и их можно рассматривать как предвестники катастрофического разрушения.

Учебное руководство создано известными специалистами из Кембриджского университета. Подробно рассмотрены механические свойства и микроструктуры металлов и сплавов, полимеров, керамик и композитов. Особое внимание уделено характеристикам прочности для различных режимов нагружения, коррозионной стойкости и процессам обработки. На многочисленных примерах дается обоснование инженерных расчетов, необходимых для конструирования в самом широком спектре применений. Учебник является незаменимым источником для инженеров-проектировщиков в промышленности и строительстве по всем направлениям материаловедения и не имеет аналогов в мировой литературе. Для студентов и преподавателей материаловедческих, машиностроительных и общетехнических факультетов, разработчиков, конструкторов и технологов.

Дан анализ хрупких разрушений сварных конструкций землеройной и горной техники, связанных с низкими температурами и усталостью металла. На основании результатов экспериментальных исследований предложены рекомендации по уменьшению охрупчивания сварных конструкций при работе на усталость. Книга предназначена для инженерно-технических работников, занимающихся исследованием, проектированием и эксплуатацией конструкций в условиях низких температур.